Höhere Leistung, kürzere Impulse und stärkere Helligkeit sind das ständige Streben nach der Entwicklung der Lasertechnologie. Bei der industriellen Anwendung gepulster Laser haben kurze Pulse und hohe Spitzenwerte einen wichtigen Einfluss auf den Materialbearbeitungseffekt. Im Vergleich zu Festkörperlasern haben Faserlaser mehr Vorteile bei der Durchschnittsleistung, sind aber bei der Spitzenleistung deutlich eingeschränkt. Lange Zeit war die Pulsbreite von Faserpulslasern auf mehr als ns, mit einem Spitzenwert von weniger als 15 kW und einem Standardwert von 100 ns 1 mJ begrenzt.
Methoden zur Erhöhung der Impulsspitzenleistung
In der in FIG1 gezeigten Laserpulssequenz ist die Spitzenleistung gleich der Pulsenergie dividiert durch die Pulsbreite. Unter gleichen Energiebedingungen kann daher eine Verkürzung der Impulsbreite die Spitzenleistung erheblich erhöhen. Unter den gleichen Pulsbreitenbedingungen kann eine Erhöhung des Spitzenwerts die Pulsenergie erhöhen.
Unter den Feststoffpulslasern, die derzeit auf dem Mainstream-Industriemarkt erhältlich sind, kann die Energie von Nanosekunden-Pulsbreitenlasern das mJ-Niveau erreichen. Berechnet bei 1 mJ Energie und 10 ns Pulsbreite kann die Spitzenleistung 100 kW erreichen. Die Energie von Pikosekunden-Pulslasern beträgt etwa 300 μJ. Bei 10 ps berechnet, kann die Spitzenleistung 30 MW erreichen. Die Energie von Femtosekunden-Pulslasern beträgt 100 μJ und die Pulsbreite 500 fs, sodass die Spitzenleistung 200 MW erreicht. Im Vergleich dazu liegt die Spitzenleistung herkömmlicher MOPA-Nanosekunden-Pulslaser bei etwa 10 kW und liegt damit weit unter den Indikatoren von Festkörperlasern.
Begrenzende Faktoren bei der Erhöhung der Spitzenleistung von Faserimpulsen
Zu den wichtigsten limitierenden Faktoren gehören fünf Punkte: begrenzte Belastbarkeit, begrenztes B-Integral, begrenzte Extraktionseffizienz, begrenzte Strahlqualität und begrenzter Polarisationszustand. Gleichzeitig gehören die verschiedenen physikalischen Mechanismuslösungen zu unterschiedlichen Designebenen, darunter: Matrixmaterial, erhöhtes Modenfeld, geführte Modenstruktur und Polarisationsstruktur gehören zur Faserdesignebene; Endkappenstrahlaufweitung, Modenanregung und Modenfilterung gehören zur Gerätedesignebene; Pumpmodus, Isolationsfilterung und Polarisationssteuerung gehören zur Designebene der Einheit; Erhöhte Bandbreite, Auswahl der Impulsbreite, Auswahl der Wiederholungsfrequenz und Verstärkungszuweisung gehören zur Systemdesignebene.
Zusätzlich zu den oben genannten fünf Punkten werden die thermischen Effekte, die bei kontinuierlichen Hochleistungsfaserlasern berücksichtigt werden müssen, hier nicht aufgeführt, da die durchschnittliche Leistung des von uns verfolgten Faserverstärkers mit hoher Spitzenleistung weitaus geringer ist als der Bereich, in dem die thermischen Effekte auftreten Der Effekt kann eine erhebliche Rolle spielen und wird daher hier nicht besprochen.
Die Belastbarkeit wird durch die Laserintensität begrenzt. Der physikalische Mechanismus umfasst Körperschäden und Oberflächenschäden. Unter anderem können Oberflächenschäden durch die Endkappentechnologie vermieden werden, und Körperschäden werden durch die Eigenschaften des Fasermatrixmaterials begrenzt, das den begrenzenden Faktor darstellt. Typischerweise liegt der Lichtintensitätsschwellenwert bei etwa 4,75 kW/μm2. Bei einem Modenfelddurchmesser von 50 μm erreicht die entsprechende Schadensleistungsschwelle 9,3 MW, was weit über der aktuellen Spitzenleistung des Pulsfaserlaserkerns und über der selbstfokussierenden Schwellenleistung liegt. Daher sind Körperschäden derzeit kein Problem, das berücksichtigt werden muss.
Die Extraktionseffizienz wird hauptsächlich durch die Verstärkung der spontanen Emission (ASE), die Verstärkungsverteilung des mehrstufigen Verstärkers und das Tastverhältnis des Impulses innerhalb der Stufe begrenzt. Insbesondere unter der Bedingung einer Kurzpulsverstärkung im Subnanosekundenbereich begrenzt ASE direkt den Anstieg der Pulsenergie und Spitzenleistung. Die Einschränkung von ASE kann jedoch unterdrückt werden, indem man mehrstufige Verstärker rational konstruiert, die Verstärkungsverteilung zwischen den Stufen und Pumpmethoden optimiert und die an die nachfolgende Stufe übertragene ASE-Komponente durch Spektralfilterung und akusto-optische Filterung reduziert. Eine vernünftige Verstärkungsverteilung zwischen den Stufen kann auch dabei helfen, Probleme mit der Pulsverstärkungssättigung zu unterdrücken und perfektere Pulswellenformen zu erhalten.
Die Strahlqualität wird durch den Strahlqualitätsfaktor M2 begrenzt und gemessen. Um die Grundmodenausgabe zu erhalten, besteht die Hauptsache darin, durch die Gestaltung der optischen Wellenleitermodenstruktur einen Einmoden- oder Wenigmodenbetrieb sicherzustellen. Auf dieser Grundlage werden die Modenanregungssteuerung während der Fusion von Fasern mit unterschiedlichem Kerndurchmesser und Modenfilterungsmethoden wie Faserwickeln zur Verbesserung der Strahlqualität eingesetzt. Derzeit beträgt die herkömmliche optische Faser, die eine hohe Strahlqualität gewährleisten kann, 30/250, und der Kern spezieller optischer Fasern wie photonischer Kristalle kann auf etwa 100 μm erweitert werden. Diese Modenfeldgröße ist im Vergleich zur millimetergenauen Punktgröße industrieller Festkörperlaser immer noch zu klein. Viele später erwähnte nichtlineare Effekte hängen mit dem B-Integral zusammen, das umgekehrt proportional zur Modenfeldfläche ist.
Der Polarisationszustand wird durch den Polarisationsgrad begrenzt und gemessen. Der physikalische Mechanismus besteht hauptsächlich in den Polarisationseigenschaften des Lichtwellenleiters. In gewöhnlichen doppelt ummantelten optischen Fasern wird linear polarisiertes Licht depolarisiert, und der Grad der Depolarisation hängt empfindlich von Biege- und Umgebungsparametern ab, was es schwierig macht, einen stabilen Polarisationszustandsausgang aufrechtzuerhalten. Unter den gleichen Bedingungen ist die Spitzenleistungsschwelle von polarisiertem Licht im Allgemeinen halb so hoch wie die von nicht polarisiertem Licht, da nicht polarisiertes Licht in zwei orthogonale nicht polarisierte Lichtkomponenten zerlegt werden kann.
Die nichtlinearen Effekte dritter Ordnung in optischen Fasern können in zwei Kategorien unterteilt werden: Die eine ist der durch die Lichtintensität induzierte Brechungsindexmodulationseffekt, einschließlich Selbstphasenmodulation (SPM), Kreuzphasenmodulation (XPM) und Modulationsinstabilität (MI). , Vierwellenmischung (FWM) und Selbstfokussierung (SF); Der andere ist der inelastische Lichtstreueffekt, der den Energieaustausch zwischen Photonen und der Gitterschwingung des Matrixmaterials beinhaltet, einschließlich stimulierter Brillouin-Streuung (SBS) und stimulierter Raman-Streuung (SRS).
Unter diesen hängt die höchste Grenze von der Selbstfokussierungsschwelle ab, die für optische Fasermaterialien bei etwa 4 MW liegt. Unterhalb der Selbstfokussierungsschwelle ist die stimulierte Raman-Streuung die wichtigste Einschränkung, da die spektrale Frequenzverschiebung des Raman-Lichts im Vergleich zum Grundfrequenzlicht bis zu 60 nm beträgt. Zu hohe Raman-Komponenten beeinträchtigen die Funktion des magnetooptischen Isolatorkristalls erheblich und führen außerdem zu einer starken chromatischen Aberration der Linse. Die Abbildung zeigt die Entwicklung der selbstfokussierenden Filamentierung, die entsteht, wenn die Spitzenleistung in der optischen Faser den Selbstfokussierungsschwellenwert überschreitet.
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